數字醫學在肝膽胰外科的應用
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專家介紹:
方馳華 教授、主任醫師、博士生導師
現任南方醫科大學附屬珠江醫院肝膽一科主任,從事肝膽胰外科臨床診治工作30餘年,長期從事肝膽胰外科疾病的臨床診治和基礎研究。在肝膽胰脾疾病腹腔鏡微創外科治療、原發性肝癌序貫綜合治療、複雜肝膽管結石綜合治療、肝硬化和先天性門靜脈海綿樣病變外科治療、肝膽管腫瘤和胰腺腫瘤外科治療等方面具有豐富的臨床經驗。
出診時間:週二、四、六、日(注:週二、週四上午為專家門診)
出診地點:珠江醫院門診樓東面三樓外科診室
導讀:他,正值青壯年卻一臉愁容,皆因揣著一份“死刑”判決書。數日前,他在某省四家知名三甲醫院的CT檢查診斷為“胰頭癌晚期”,從CT顯示腫瘤與血管的關係而言,該腫瘤體積巨大(大於10cm),侵犯了臨近的幾根大血管,而不能進行手術切割。本著對生命的“不拋棄、不放棄”精神,他及家屬多方探查治療途徑,近日走進了南方醫科大學附屬珠江醫院肝膽外一科。
先到CT室進行64排螺旋CT掃描,合計須拍攝數百兆的圖片;然後將採集的資料(圖片)傳輸到特定的伺服器上,30多秒即可將所有圖片傳輸完畢;接著運用具有自主智慧財產權的腹部醫學影象三維視覺化系統(MI-3DVS)對採集的資料進行自動分割、配準和三維重建。最後,在三維重建的模型上,發現此患者的腫瘤對幾根大血管顯示嚴重的壓迫,而不是侵犯,可以採取手術切割方式進行治療。
“64排螺旋CT”、“自動分割”、“三維重建”……這些字眼並不為大眾眼球所熟悉,甚至對於那些常日浸泡在手術檯上的外科醫生也並不太清楚,因為在醫學領域“隔行如隔山”的現象更為明顯。
為此,小編特意走訪了南方醫科大學附屬珠江醫院肝膽外一科主任方馳華教授,因為從2006年至今,方馳華教授有了另一重身份——國家高技術研究發展計劃(863計劃)專案《腹部臟器64排CT掃描資料三維重建及模擬手術研究》專案負責人和課題組長。#p#副標題#e#
比較:“數字人”VS“數字醫學”
在談及《腹部臟器64排CT掃描資料三維重建及模擬手術研究》專案之前,方馳華教授首先為廣大網友詳細梳理了兩個重要的概念以及概念之間的異同。
一、“數字人”的概念與意義
“數字人”實際上是一種數字資訊的概念,但是僅僅從數字層面去把握則顯得太抽象,太粗獷。若以傳統和新興的技術對比來認識可能會更具有感性認知——
在傳統的醫學研究方法中,為了研究人體的解剖,一直以來都是採取屍體的標本進行研究。而這種傳統的研究方式在電子計算機無比發達的當今社會顯得“力量微弱”,如何將人體的解剖資訊結合電子計算機技術進行更寬廣的研究,這成為了當代醫學研究的趨勢。
1989年,美國開發了世界上首例的“數字人”,其以亞毫米水平獲得了人體的解剖資訊資料。這是一個了不起的成果,因為對於人體資訊資料而言,其要求是“越小越精確”。 “數字人”在其採集資料過程中,利用機床對屍體進行削切,其切片只有0.2毫米。每一層的切片均拍攝為高清晰的影象,以影象資料的形式儲存。在收集數千個不同層面的影象資料後,將資料匯入電腦系統,進行分割、配準和三維重建,繼而還原人體本身的資訊。
二、“數字醫學”的概念與意義
“數字人”雖然是開創了研究的新時代,但是資料的來源依然是屍體標本,其有著非常致命的侷限性。
首先,這種來源於屍體標本的“數字人”只有研究價值卻實用價值受限;其次,這種研究不具備個體化特徵,而對於臨床病人來說,每個病人都有自己個體化的特徵。再次,這種研究只能反映人體物理化的特徵,還未能反映人體生理化的特徵。
2002年,我國工程院院士、中國“數字人”研究聯絡組組長鍾世鎮帶領其課題組完成了首例女“數字人”的資料採集,這標誌著我國由此成為繼美國、韓國後,成為世界上第三個擁有本國“數字人”的國家。為此,鍾世鎮院士獲得了2009年廣東省科技突出貢獻獎。
作為鍾世鎮院士的博士研究生,方馳華教授在肝膽外科的臨床研究領域有著出色的造詣,為此,鍾世鎮院士建議其根據自己的專業方向(肝膽外科的臨床研究),應該在已有的“數字人”基礎上轉向“數字醫學”方向,進行臨床的攻關研究,讓“數字醫學”在“數字人”研究的基礎上,把“數字人”的技術應用於肝膽外科疾病的診斷與治療之中。
1.腹主動脈 2.脾臟 3.脾動脈 4.脾靜脈5.左腎 6.腸繫膜上動脈 7.腸繫膜上靜脈8.右腎 9.膽囊 10.胃十二指腸動脈11.肝固有動脈 12.門靜脈幹 13.門靜脈右支14.門靜脈左支 15.肝中靜脈 16.肝右靜脈17.肝左靜脈 18.下腔靜脈#p#副標題#e#
瓶頸:無法獲取活人體的亞毫米資料
於是,從2003年開始方馳華教授就投身於將“數字人”技術轉向“數字醫學”的應用中。其間,該研究專案團隊獲得各種各樣的資金資助,如2003年得到廣東省科技計劃專案資助50萬,2004年得到國家自然科學基金專案23萬。但是,這期間的研究依然沒有進入“數字醫學”的真正臨床診斷,其中最大的瓶頸——無法獲取活人亞毫米的資料。因為對於一個活生生的人體,無法運用機床進行層層削割,也就無法獲取每一個橫切面的資料。
但是,本著對“數字醫學”應用前景的信心,方馳華教授和他的專案團隊一如既往地進行各項研究和準備,也正是這種積極的態度,積累了更多的資料與素材,一旦贏來“契機”,將首先邁開走向成功的第一步。
契機:64排螺旋CT精確到0.625毫米
方馳華教授回憶道:“2005年11月,珠江醫院在廣東乃至全國率先引進64排螺旋CT,其具有一個非常重要的功能就是可以將人體解剖的資訊精確到0.625毫米。這雖然與0.2毫米這個距離依然差距很大,但是這個變化對於我們來說卻是一種無比的欣喜,因為這意味著我們可以通過64排螺旋CT掌握活人體的資訊資料。”
64排螺旋CT的作用如何體現呢?以一位病人的實際過程為例,其先到CT室進行64排螺旋CT掃描,然後將採集的資料(圖片)傳說到另一個工作室特定的伺服器上,每30秒傳送一個病人,每一個病人大約數百兆圖片,然後運用自主研發的MI-3DVS軟體對採集的資料進行自動分割、配準和三維重建,最後得到的模型,不管是肝臟、血管還是腫瘤,完全與實際人體一摸一樣。
為了對人體腹部臟器三維重建和模擬手術研究,方馳華帶領的專案組團隊可謂是“投入重金”,研發了一套具有自主智慧財產權的腹部醫學影象三維視覺化系統。談及這個系統出爐的細節時,方馳華教授相當自豪:“這個技術並不是單一智力的成果,它集合了肝膽外科的知識、電子計算機技術的知識、數學圖形的知識、物理學流體力學和影像數字學等多學科的知識。由珠江醫院、華南師範大學計算機學院兩個單位的5個科研小組的70餘位專家、學者、研究人員,歷時2年多時間,蒐集240餘例正常人和300餘例腹部實質臟器腫瘤患者的腹部CT資料,並應用計算機技術進行研究而獲得。”
的確如此,這個專案的成功具有深刻的意義,經國內外相關文獻檢索對比,醫學影象三維重建視覺化模擬手術系統目前處於國內領先、國際先進水平,它首次真正實現了中國活人體腹部實質臟器解剖數字化,也首次實現了個體化腹部外科模擬手術的臨床應用。#p#副標題#e#
列舉:醫學影象三維重建的臨床應用價值
據瞭解,該研究受到國家高科技研究發展(863)計劃專案、廣東省自然科學基金團隊專案、國家自然科學基金專案、廣東省科技計劃專案等多項科研專案經費資助,總資助額達500萬元。
目前研究進展的情況如何呢?方馳華教授總結:通過64排螺旋CT和MI-3DVS軟體,可以將正常人的肝膽胰脾的模型和腹腔的血管完全顯示,首次建立中國活人體肝膽胰脾外科疾病的三維重建,首次實現中國活人體肝膽胰脾外科疾病術前的模擬手術。
據方馳華教授介紹,該專案研究已經獲得2項軟體著作權,並申請9項發明專利,其中八項已經進入實質審查程式。到目前為止,他們應用MI-3DVS技術,為數百例肝膽胰腫瘤、肝膽管結石等患者進行了診斷和外科手術治療,並已在全國103家醫院進行臨床推廣。為了將技術及研究產品更有利於教學和醫學事業的發展,課題組還組織人員正在編制《正常人體腹部臟器數字化解剖圖譜》、《腹部臟器疾病或腫瘤數字化解剖圖譜》、《腹部臟器疾病或腫瘤數字化手術圖譜》等醫學圖譜。此外,還共同研製開發出肝臟、膽道、胰腺、脾臟等4類疾病的14種模擬手術教學應用軟體,為專業人士的教學推廣起到非常前瞻性的作用。
那麼,對於肝膽胰脾外科疾病的患者來說,醫學影象三維重建的臨床應用價值具體體現在哪裡呢?
1、我們可以準確的得到肝臟腫瘤與肝動脈、門靜脈、肝靜脈的關係和胰腺腫瘤與門靜脈、腸繫膜上靜脈和腹腔血管的關係,準確指導手術方式的選擇;
2、我們可以準確的得到這個腫瘤在肝臟和胰腺的部位、大小、形態、立體的空間位置;
3、我們可以準確的進行肝臟分段,歷來肝臟被分為八段,但是現在的研究發現這種分段並不是完全適用的,有的肝臟可以分為八段,有的肝臟只有七段,甚至還有六段的,因此需要講究‘個體化’;
4、我們可以準確的計算腫瘤在肝臟部位所佔的體積大小,剩餘正常的肝臟還有多少體積,預計手術過程中能切多少,保留多少,剩餘的肝臟功能還有多少;
5、有利於營造良好的醫患關係,由於受專業知識、理解能力等差異的影響,病人及其家屬在手術之前往往不能充分的理解手術的必要性和可能性,更多的情況是將所有希望寄託在醫生身上,一旦手術失敗便不分青紅皁白將醫生歸為‘庸醫’之列,繼而引發醫療糾紛等,但是根據三維重建視覺化模擬手術的演示,病人及其家屬都可以在術前進行直觀的認識,清楚手術過程和相關風險預測,真正落實了‘知情權’。
6、根據三維重建的模型,我們可以對病人的情況瞭如指掌,心中有數,避免因判斷失誤造成‘白開刀’,對患者造成額外的身體傷害和經濟負擔;
7、MI-3DVS三維重建模型可以清晰地顯示肝膽管結石的部位、大小、形態、分佈;顯示肝膽管狹窄的部位、長度、程度,準確地指導手術方式的選擇,使肝膽管結石術後殘石率由過去的30%-40%降低到1.0%以下。
8、三維重建的目的是為了更好地診斷,繼而為肝膽胰脾外科疾病的進一步治療提供了直觀的輔助手段,為此可以使已經判了“死刑”的患者獲得手術的機會,成就重獲新生的可能。例如,通過三維重建清晰的觀察到腫瘤的具體形態,將臨床上診斷的‘胰腺癌晚期’患者重新確認為‘非癌症’患者,併為之提供及時的手術治療。將多例被判為臨床死刑的肝癌患者,成功地進行了手術切除。
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